Summary
אנו מדגימים ייצור של התקן אלקטרודיאליזה הפוכה באמצעות קרום חילופי cation (CEM) וקרום החלפת אניון (AEM) לייצור חשמל.
Abstract
אלקטרודיאליזה הפוכה (אדום) היא דרך יעילה לייצר כוח על ידי ערבוב שני ריכוזי מלח שונים במים באמצעות ממברנות חילופי cation (CEM) וממברנות החלפת אניון (AEM). הערימה האדומה מורכבת מהסדר לסירוגין של קרום חילופי הקטיון וקרום החלפת האניון. מכשיר RED משמש כמועמד פוטנציאלי למימוש הביקוש האוניברסלי למשברי אנרגיה עתידיים. כאן, במאמר זה, אנו מדגימים הליך לייצור התקן אלקטרודיאליזה הפוך באמצעות CEM בקנה מידה מעבדה ו- AEM לייצור חשמל. האזור הפעיל של קרום חילופי היונים הוא 49 ס"מ2. במאמר זה, אנו מספקים הליך שלב אחר שלב לסינתזה של הממברנה, ואחריו ההרכבה של הערימה ומדידת כוח. תנאי המדידה וחישוב פלט החשמל נטו הוסברו גם הם. יתר על כן, אנו מתארים את הפרמטרים הבסיסיים הנלקחים בחשבון להשגת תוצאה אמינה. אנו מספקים גם פרמטר תיאורטי המשפיע על ביצועי התא הכוללים הקשורים לממברנה ולפתרון ההזנה. בקיצור, ניסוי זה מתאר כיצד להרכיב ולמדוד תאים אדומים על אותה פלטפורמה. הוא מכיל גם את עקרון העבודה ואת החישוב המשמש להערכת תפוקת הכוח נטו של הערימה האדומה באמצעות ממברנות CEM ו- AEM.
Introduction
קצירת אנרגיה ממקורות טבע היא שיטה חסכונית ידידותית לסביבה, ובכך הופכת את כוכב הלכת שלנו לירוק ונקי. מספר תהליכים הוצעו עד כה כדי לחלץ אנרגיה, אבל אלקטרודיאליזה הפוכה (אדום) יש פוטנציאל עצום להתגבר על בעיית משבר האנרגיה1. ייצור חשמל מאלקטרו-דיליזה הפוכה הוא פריצת דרך טכנולוגית לדה-קרבוניזציה של אנרגיה גלובלית. כפי שהשם מרמז, RED הוא תהליך הפוך, שבו תא התא החלופי מלא בתמיסת מלח מרוכזת גבוהה ותמיסת מלח בריכוז נמוך2. הפוטנציאל הכימי שנוצר על ידי הפרש ריכוז המלח על פני ממברנות חילופי היונים, שנאסף מהאלקטרודות בקצה התא.
מאז שנת 2000, מאמרי מחקר רבים פורסמו, מתן תובנה לתוך אדום תיאורטית וניסיונית3,4. מחקרים שיטתיים על תנאי הפעולה ומחקרי אמינות בתנאי לחץ שיפרו את ארכיטקטורת המחסנית ושיפרו את ביצועי התא הכוללים. מספר קבוצות מחקר הסיטו את תשומת לבם ליישום ההיברידי של RED, כגון RED עם תהליך התפלה5,אדום עם אנרגיה סולארית6, אדום עם תהליך אוסמוזה הפוכה (RO)5, אדום עם תא דלק מיקרוביאלי7, ו- RED עם תהליך הקירור הקריבי8. כאמור, יש היקף רב ביישום היישום ההיברידי של RED כדי לפתור את בעיית האנרגיה והמים הנקיים.
מספר שיטות אומצו כדי לשפר את הביצועים של התא האדום ואת יכולת החלפת היונים של הממברנה. התאמת ממברנות חילופי הקטיונים עם סוגים שונים של יונים באמצעות קבוצת חומצה גופרתית (-SO3H), קבוצת חומצה פוספונית (-PO3H2),וקבוצת חומצה קרבוקסילית (-COOH) היא אחת הדרכים היעילות לשנות את המאפיינים הפיזיקוכימיים של הממברנה. ממברנות החלפת אניון מותאמות לקבוצות אמוניום 
()9. מוליכות יונית גבוהה של AEM ו- CEM מבלי לדרדר את הכוח המכני של הממברנה היא הפרמטר החיוני לבחירת ממברנה מתאימה ליישום המכשיר. הממברנה החזקה בתנאי לחץ מספקת יציבות מכנית לממברנה ומשפרת את עמידות המכשיר. כאן, שילוב ייחודי של פולי גופרתי בעל ביצועים גבוהים (אתר אתר קטון) (sPEEK) כמו ממברנות חילופי קטיונים עם FAA-3 כמו ממברנות החלפת אניון משמשים ביישום אדום. איור 1 מציג את תרשים הזרימה של ההליך הניסיוני.
איור 1: תרשים הליכים. תרשים הזרימה מציג את ההליך שאומץ להכנת קרום חילופי יונים ואחריו תהליך למדידת אלקטרודיאליזה הפוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. דרישה ניסיונית
- רכש פולימר יונומר חילופי יונים, סיבי פולימר E-550 גופרתי-PEEK להכנת CEM ו- FAA-3 להכנת AEM. ודאו שכל פולימרי היונומר מאוחסנים בסביבה נקייה, יבשה ונאטולת אבק לפני השימוש.
- השתמש טוהר גבוה (>99%) ממסים, כולל N-מתיל-2- פירולידון עם משקל מולקולרי 99.13 גרם מול-1 ו- N, N-דימתיל אקטמיד עם משקל מולקולרי 87.12, להכנת פתרון היונומר הומוגני. ודא שכל הכימיקלים והממסים אנליטיים המשמשים להכנת ממברנה כפי שהתקבל ללא כל טיהור נוסף.
- לאחר תהליך ההפעלה של הממברנות, לטבול מיד את כל הממברנות בתמיסת NaCl 0.5 M לקבלת ביצועים טובים יותר. לאחר הפעלה של שתי הממברנות, אין צורך בייבוש. מים עם התנגדות הוא 18.2 MΩ בטמפרטורת החדר שימש לאורך כל הסינתזה של הממברנה.
- לאפיין את תכונות הממברנה באמצעות קרום יבש. התיאור המפורט של טכניקות האפיון והמאפיינים הפיזיקוכימיים שלהן כגון יכולת החלפת יונים, מוליכות יונים, עובי, ניתוח תרמי ומורפולוגיה של פני השטח, מוצגים בספרות10,11.
- השתמש בחותך כדי לעצב את הממברנה עבור CEM ו- AEM לגודל הערימה האדומה עם שטח פעיל של 49 ס"מ2, כפי שמוצג באיור 2.
- עבור ייצור מחסנית RED, לעשות סידור CEM ו- AEM חלופי, מופרד על ידי spacer ואטם; תמונה אמיתית של הערימה האדומה העובדת מוצגת באיור 3a, והדיאגרמה הסכמטית של כל שכבה מודגמת באיור 3b.
- ראשית, למקם את צלחת PMMA מול אלקטרודה הפוך; עכשיו, מניחים את אטם הגומי ואת spacer על זה, ולאחר מכן למקם את CEM. לאחר מכן, מניחים את אטם הסיליקון עם המרווח על CEM ולאחר מכן מניחים עליו את ה- AEM. באופן דומה, הוסף את אטם הסיליקון ואת spacer על החלק העליון של AEM ואחריו CEM. עכשיו, מניחים את צלחת PMMA הסופית, אטם גומי, ו spacer ואחריו הידוק באמצעות ברגים ואגוזים.
- לאחר הרכבת הערימה האדומה, בדוק את הזרימה החופשית של הריכוז הגבוה (HC), ריכוז נמוך (LC) ולשטוף את הפתרונות אחד אחד. כל זרימה צולבת או דליפה נדרשת כדי להיות מסולק לפני המדידה.
- לפני מדידת הזרם והמתח, נטר את קצב הזרימה של פתרונות מלח וקריאה במד לחץ וודא שהוא מתייצב. ודא שכל החיבורים נמצאים במקום המדויק לפני תחילת המדידה. הימנע מלגעת בערימה האדומה ובצינורות המחברים שלה בזמן שהמדידה פועלת.
הערה: HC ו- LC פתרון לזרום מהתאים שלהם כדי להשליך את התא דרך משאבה peristaltic, מד לחץ, וערימה אדומה, בהתאמה. - השתמש בשיטת galvanostat למדידה של זרם ומתח, מכשיר מד המקור המחובר לערימה האדומה באמצעות קליפסים תנין.
איור 2: גודלה וצורה של הממברנה המוכנה, האטם והמרווח לייצור אלקטרודיליזה הפוכה. (א)אטם סיליקון חיצוני, (b)מרווח חיצוני ומרווח פנימי, (c)אטם סיליקון פנימי, (d)קרום חילופי קטיונים, (e) קרום החלפת אניון, ו -( ו) אטם ומכלול ממברנה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מחסנית אלקטרודיאליזה הפוכה( א)של מחסנית אלקטרודיאליזה הפוכה עם צינורות חיבור, ו -( b)איור סכמטי של שכבות שונות, כולל לוחות קצה PMMA, אלקטרודות, אטם, spacer, CEM ו- AEM. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
2. הכנת ממברנה חילופי יון
הערה: כמות החומר הקדמה הייתה מותאמת לקבלת ממברנה עם קוטר 18 ס"מ ועובי ~ 50 מיקרומטר.
-
קרום חילופי Cation
- קח 5 wt% של סיבי Sulfonated-PEEK בבקבוקון התחתון עגול 250 מ"ל ולהמיס את הסיבים דימתיל אצטמיד (DMAc) כממס בעל משקל מולקולרי 87.12 גרם מול-1. לנער את הבקבוק במשך 10 דקות, כך שכל פולימרים ionomer להתיישב.
- מניחים פס מגנטי בבקבוק ולאחר מכן לשמור את התערובת באמבט שמן הסיליקון, ואחריו ערבוב נמרץ ב 500 סל"ד עבור 24 שעות ב 80 °C (80 °F) כדי לקבל פתרון הומוגני.
- סנן את פתרון ה- Sulfonated-PEEK באמצעות מסנן פוליטרפלואורואתילן (PTFE) בגודל 0.45 מיקרומטר.
- לאחר מכן, יוצקים את הפתרון המסונן על צלחת זכוכית עגולה בקוטר של 18 ס"מ. ודא כי כל בועות האוויר מוסרות באמצעות מפוח אוויר לפני הצבת צלחת פטרי בתנור.
- מניחים את צלחת הפטרי בתוך תנור לייבוש הפתרון ב 90 °C (50 °F) במשך 24 שעות, וכתוצאה מכך ~ 50 מיקרומטר קרום עצמאי עבה. לעשות זאת לחילוץ קרום עצמאי: כדי לקלף את הממברנה מן צלחת פטרי, למלא את צלחת פטרי עם מים זיקוק חם (~ 60 °C) ולתת לו לעמוד במשך 10 דקות ללא פגע. הממברנה העומדת בפניו תצא באופן אוטומטי.
- להפעלת הממברנה, לטבול את הממברנה מוכנה ב 1 M חומצה גופרתית (H2SO4) פתרון מימי, כלומר, 98.08 גרם, ב 1 ליטר של מים מזוקקים, ודגרה עבור 2 שעות ב 80 °C (70 °F).
הערה: צעד זה יבטיח הסרה של חלקיקים זרים וכימיקלים אחרים כגון ממיסים שיפחיתו את האפשרות של ממברנה מלכלוך. - לשטוף את הממברנה הספוגה עם 1 ליטר של מים מזוקקים במשך 10 דקות, לפחות שלוש פעמים בטמפרטורת החדר.
- קרום החלפת אניון
- התמוסס FAA-3 פתרון ionomer 10 wt.% בממס N-מתיל-2-פירולידון (NMP).
- שמור את הפתרון לבחוש בטמפרטורת החדר במשך 2 שעות ב ~ 500 סל"ד.
- לאחר מכן, לסנן את הפתרון באמצעות רשת שינוי עם גודל נקבובית 100 מיקרומטר.
- יוצקים ~ 30 mL פתרון מסונן לתוך צלחת פטרי עגולה בקוטר של 18 סמ. ודא כי כל בועות האוויר הוסרו באמצעות מפוח אוויר לפני הצבת צלחת פטרי זכוכית בתנור. תהליך הייבוש מתבצע ב 100 °C (50 °F) עבור 24 שעות.
- כדי להשיג קרום העומד בפניו, יוצקים מים מזוקקים חמים לתוך צלחת פטרי זכוכית ולשמור אותו לפחות 10 דקות. עכשיו לקלף את הממברנות ולהניח 1 ליטר של פתרון נתרן הידרוקסיד (NaOH) (ריכוז 1M ומשקל מולקולרי 40 גרם מול-1) עבור 2 שעות.
- לאחר מכן, לשטוף את הממברנה ביסודיות עם 1 ליטר של מים מזוקקים במשך 10 דקות, לפחות שלוש פעמים במצב הסביבה.
הערה: כל הממברנות המוכנות אוחסנו בתמיסת NaCl 0.5 M לילה לפני השימוש בו בערימה האדומה. כך מוליכות הממברנה משתפרת והוא יכול להשיג ביצועי פלט מיוצבים במהלך המדידה של מחסנית אדום. טבלה 1 מתארת את מאפייני הממברנה10,11.
| מפרט | יחידה | CEM | AEM |
| דרגת נפיחות | % | 5±1 | 1±0.5 |
| צפיפות טעינה או קיבולת חילופי יוני | meq/g | 1.8 | ~ 1.6 |
| תכונות מכניות (חוזק מתיחה) |
MPa | >40 | 40-50 |
| התארכות להפסקה | % | ~ 42 | 30-50 |
| מודולוס הצעיר (MPa) | 1500±100 | 1000-1500 | |
| מוליכות בטמפרטורת החדר | S/ס"מ | ~0.03 | ~ 0.025 |
| Permselectivity | % | 98-99 | 94-96 |
| עובי | מיקרומטר | 50±2 | 50±3 |
| הממס | - | דימתיל אצטמיד (DMAc) | N-מתיל-2-פירולידון (NMP) |
טבלה 1: מאפייני ממברנות. סיכום הן של cation-exchange והן תכונות ממברנה החלפת אניון.
3. ייצור של אלקטרודיאליזה הפוכה
-
הרכבה של מחסנית אדומה
- הכן פתרון מודל באמצעות 0.6 M NaCl לריכוז גבוה (HC) ו 0.01 M NaCl עבור ריכוז נמוך (LC) תאים12.
הערה: כאן, מי הנהר נחשבים לתמיסת מלח בריכוז נמוך, ומי ים מיוצגים כתמיסת מלח בריכוז גבוה. - הכן 5 ליטר של ריכוז גבוה ופתרון ריכוז נמוך במיכל גדול המחובר לצינורות. שמור את הפתרונות ערבוב בתנאי סביבה (טמפרטורת החדר) לפחות 2 שעות לפני שהוא משמש בערימה האדומה.
- הכן את התערובת של 0.05 M של [Fe (CN)6]-3/ [Fe (CN)6]-4 ו 0.3 M NaCl במים 500 מ"ל כתמיסת שטיפה עבור אדום.
- חבר את כל שלושת מיכלי הפתרון עם מחסנית RED באמצעות צינורות גומי דרך המשאבה peristaltic ומדי הלחץ. השתמש בצינור בגודל L/S 16 לפתרון שטיפה, והשתמש בצינור בגודל L/S 25 לפתרון HC ו- LC.
- כדי ליצור מחסנית אדומה, יש ליטול שני לוחות-קצה המורכבים מפולימתיל מתאקרילט (PMMA). חבר את שני לוחות הקצה אופקית פנים אל פנים עם אגוזים, ברגים, מכונות כביסה באמצעות כוח 25 ננומטר באמצעות מנהל התקן מפתח ברגים דיגיטלי. עובי לוחית הקצה PMMA 3 ס"מ, ואת הנתיב של ערוצי הזרימה תוכנן לוחות עבור HC, LC, ופתרון לשטוף על ידי מקדח2.
- מניחים שתי אלקטרודות רשת העשויות מטיטניום ממתכת (Ti) מצופות בתערובת של אירידיום (Ir) ורותניום (Ru) ביחס של 1:1 ומניחים בסוף לוחות PMMA. שתי האלקטרודות הסופיות מחוברות לקליפ התנין של מד המקור.
הערה: שתי לוחות הקצה של PMMA מצוידים באלקטרודות רשת, שתי האלקטרודות היו בשכבות עם מרווח צורה מרובע, ואת לוחית הקצה PMMA מכוסה אטם גומי הפונה פנימה. לאחר מכן, CEM ו- AEM ממוקמים לחלופין, מופרדים על ידי אטם סיליקון ומרווח, כפי שמוצג באיור 3. - התקן אטמי סיליקון, מרווחי פולימר וממברנות חילופי יונים (CEM ו- AEM) שכבה אחר שכבה, כפי שמוצג בתרשים הסכמטי איור 4 ואיור 5. ודא שהאזור הפעיל של אלקטרודות, שתי הממברנות, החלל החיצוני והפניומי, האטם החיצוני והפניומי הוא 7 x 7 = 49 ס"מ2.
- העבירו פתרונות בריכוז גבוה ובריכוז נמוך מתאים בהתאמה על ידי משאבות פרייסטליות, כפי שמוצג בתרשים הסכמטי באיור 4.
- יש להפיץ את תמיסת השטיפה בתאי האלקטרודה והממברנה החיצוניים במצב מחזור באמצעות משאבות פרייסטליות. קצב הזרימה המשמש לפתרון השטיפה הוא 50 מ"ל דקה-1.
- קצב זרימה קבוע משמש לניתוח הביצועים של כל ממברנה. בניסוי זה, השתמשנו 100 מ"לדקות-1 דרך משאבה peristaltic.
- הכן פתרון מודל באמצעות 0.6 M NaCl לריכוז גבוה (HC) ו 0.01 M NaCl עבור ריכוז נמוך (LC) תאים12.
איור 4: ייצוג סכמטי של חיבור הצינור עם מחסנית אלקטרודיאליזה הפוכה. חיבור של אלקטרודיאליזה הפוכה עם משאבות פרייסטלטיות, מיכל פתרון בריכוז גבוה, מיכל פתרון בריכוז נמוך, מיכל פתרון שטיפה, ולהיפטר מיכל פתרון. זה גם מראה את היישור של spacer עם קרום חילופי אניון (AEM) וקרום חילופי cation (CEM). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תרשיםסכמטי של שכבות שונות בהגדרת האלקטרו-דיליזה ההפוכה. (א)תצוגה חתך של איור סכמטי של אלקטרודיאליזה הפוכה מראה את כיוון הזרימה של פתרון הריכוז הגבוה, פתרון בריכוז נמוך ופתרון שטיפת אלקטרודה. רכיבים אחרים כגון אלקטרודות, אטמים החיצוניים והפנימיים, מרווחים החיצוניים והפנימיים, קרום חילופי הקטיונים וקרום חילופי האניון. (ב)תצוגה קדמית של הערימה, המציגה את כיוון הזרימה של פתרון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
4. מדידת אלקטרודיאליזה הפוכה
-
חישוב צריכת חשמל
- תן לריכוז הגבוה, ריכוז נמוך, ולשטוף את הפתרון, לרוץ דרך הערימה לפחות במשך 5 דקות. מדוד את ביצועי הפלט האדום לפי מד מקור, המחובר לשתי האלקטרודות של הערימה האדומה13.
- חשב את מאפייני מתח הזרם של מחסנית RED במונחים של צפיפות הספק באמצעות שיטת galvanostat.
הערה: בשיטת galvanostat, זרם קבוע מוחל על פני אלקטרודות ומודד את הזרם המתקבל. הזרם המתקבל הוא הזרם שנוצר עקב התגובה האלקטרוכימית בערימה. המדידה מתבצעת תחת מתח סטטי 0.05 V עם זרם טאטוא קבוע שהוא 10 mA. - צפיפות צריכת החשמל המרבית עבור מחסנית RED נמדדת בעזרת המשוואה הבאה 1.
(1)
כאן, Pmax הוא צפיפות הכוח המרבית של מחסנית אדום (Wm-2),מחסנית U היא המתח (V) המיוצר על ידי הממברנה בערימה, אנימחסנית הוא הזרם המוקלט (A), וMem הוא האזור הפעיל של הממברנות (מ'2).
(1)Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תפוקת חשמל נטו
תא אדום בדרך כלל מייצר אנרגיה חשמלית משיפוע המליחות של תמיסת המלח, כלומר, תנועת היונים בכיוון ההפוך דרך הממברנה. כדי להרכיב את הערימה האדומה בצורה נכונה, יש ליישר את כל השכבות, כולל אלקטרודות, אטמים, ממברנות ומרווחים בערימה בקפידה, כפי שהודגם בתרשים הסכמטי באיור 4 ובאיור 5. אם הערימה אינה מיושרת באופן מושלם, עלולות להתעורר שתי בעיות: (i) זרימה צולבת של פתרון HC ו- LC עלולה להתרחש בערימה ו-(ii) דליפה של הפתרון בערימה עלולה להתרחש. יש צורך לחסל את שתי הבעיות לפני תחילת המדידה בפועל של פלט החשמל. יש לתקן פרמטרים אחרים, כולל קצב הזרימה של פתרון HC ו- LC, לחץ שאיבה ומתח יישומי, כדי להשיג תפוקת חשמל יעילה. כדי להעריך את הכוח נטו של מחסנית אדום, יש לנכות את אובדן הכוח ההידרודינמי מחשמל נטו שהושג10. יציאת הכוח המרבית מתקבלת מערימה האדומה על-ידי הכפלת המתח והזרם המתקבלים. לעומת זאת, יש לחלק את השטח הפעיל ואת מספר זוגות הממברנה כדי להשיג את צפיפות הכוח בפועל של הערימה, כפי שניתן במשוואה 114,15. הכוח הכולל המתקבל מערימה אדומה מופחת על ידי אובדן כוח הידרודינמי או אובדן כוח שאיבה שנוצר על ידי המשאבה וניתן על ידי המשוואה הבאה 2.
(2)
כאן,P הפסד הוא אובדן כוח שאיבה הידרודינמית (W m-2)המיוצר בערימה האדומה על ידי אובדן פנימי. Pmax הוא ההספק המרבי (W m-2) המתקבל מהניסוי. תפוקת החשמל נטו הגבוהה ביותר שדווחה עבור RED היא 1.2 ואטמ'-2 באמצעות מי נהר ומי ים על ידי ורמאס16. אובדן כוח מיוצג כהבדל של לחץ ב- inlet ושקע של פתרון HC ו- LC בערימה וניתן על ידי ירידה בלחץ (ΔP),קצב זרימה (Q) ויעילות המשאבה (משאבתη)17,18.
(3)
כאן, QH ו- QL הם קצב הזרימה (mL mim-1) של פתרון ריכוז גבוה ופתרון ריכוז נמוך ב mL min-1 ו ΔPH ו ΔPL הוא ירידה בלחץ בצד ריכוז גבוה ותא ריכוז נמוך ב Pa. כאן, ירידת הלחץ הנמדדת ממד הלחץ של תא HC היא 11,790 Pa ותא LC הוא 11,180 Pa. אובדן כוח השאיבה המחושב(P loss)הוא 0.038 W m-2.
הערכת פרמטר תיאורטית
בעיקרון, מערכת RED מורכבת משני סוגים שונים של ממברנות חילופי יונים, אטם, משאבה, מרווחים ואלקטרודה. ירידת הלחץ על פני הערימה האדומה מוערכת תיאורטית באמצעות משוואת דארסי-וייסבאך11,19. במערכת אדומה אידיאלית, זרימה למינארית של פתרון בערוץ אחיד אינסופי רחב משמש לחישוב ירידת הלחץ.
(4)
כאן, dh (m) הוא הקוטר ההידראולי של הערוץ, ואילו הקוטר ההידראולי עבור ערוץ רחב אינסופי הוא 2h. פרמטרים אחרים הם צמיגות המים (Pa·s), tres הוא זמן המגורים (ים), L הוא אורך הממברנה (ס"מ). בערימה אדומה, sPEEK כ- CEM ו- FAA-3 כ- AEM משמש, והמרחק בין שתי הממברנות ניתן על ידי המונח b, שהוא פרופורציונלי ישירות לערך הקוטר ההידראולי במקרה של הממברנה בפרופיל, ו - "h " הוא המרחק הבין-בין-משרדי (מ '), ניתן על ידי משוואה 520.
(5)
עבור ערוץ רחב אינסופי, הערך המחושב ממשוואה 6 הוא בדרך כלל נמוך בהרבה מערך הערוץ הרחב הסופי. הערכים המתקבלים הם בגודל נמוך, אשר נובע אי אחידות של מפרצון ושקע של פתרונות הזנה. רשת החלל מגבילה את זרימת פתרונות המלח המימיים בשל אפקט הצל של spacer, וכתוצאה מכך תוספת כוח שאיבה. מיקום הערך המתקבל מהיחס בין פני השטח לאמצעי האחסון (Ssp / V sp) של רשת מרווחים בנוסחה, ε נקבוביות, ניתן להעריך את עובי הערוצים המלאים ברווחים ממשוואה 621,22.
(6)
עובי המרווח ושאר הפרמטרים, כולל יחס פתוח, פתיחת רשת וקוטרי חוטים, נשמרים קבועים בכל התאים. הן תאי HC והן תאי LC השתמשו באותו פתרון (NaCl) בריכוזים שונים. לכן, קל לאתחל את הפרמטרים, ואובדן שאיבה תיאורטי יכול להינתן על ידי משוואה 723.
(7)
איפה, A הוא אזור הממברנה הפעילה m2 ו Q להאכיל פתרון קצב זרימת 3מ -1. כאן, μ הוא צמיגות המים הנמדדים בפאס, L הוא אורך הממברנה שניתנת על ידי ס"מ, ו tres הוא זמן מגורים בשנייה.
הביצועים של הערימה האדומה
ביצועי הפלט של מחסנית RED נחקרו באמצעות זוג תאים אחד בקצב זרימה קבוע של 100 מ"ל min-1. הריכוז של פתרון ההזנה נשמר גם קבוע לריכוז גבוה יותר (0.6 M), וריכוז נמוך יותר (0.01 M) שהוכן ממלח NaCl. הוא ציין כי צפיפות הכוח המרבית היא 0.69 W m-2 ב 100 מ"ל דקה-1,ואת צפיפות החשמל נטו הוא 0.66 W מ'-2 כפי שמוצג איור 6. קצב זרימה גבוה יותר ויכולת חילופי יונים גבוהה ממלאים תפקיד משמעותי בהשגת ביצועי תאים טובים יותר מכיוון שההובלה של היונים פעילה יותר בקצב זרימה גבוה יותר. מצד שני, זה מקטין את ההתנגדות שכבת גבול דיפוזיה בממשק. ההבדל בשיפוע המליחות של ריכוז המלח מעורר את המתח הפתוח, כפי שממחיש באיור 6. מתח זה תלוי בהתנגדות הפנימית של מחסנית RED ופרמטרים אחרים. יצוין כי ככל שהצפיפות הנוכחית עולה, המתח מתחיל לרדת ואילו, בתחילה צפיפות הכוח של התא עולה ומקבלת מקסימה בערך צפיפות זרם מסוים ואז יורדת. ירידה זו בצפיפות החשמל נובעת מעלייה בהתנגדות הפנימית של הערימה, כפי שמוצג באיור 6.
איור 6: ביצועי פלט של התקן האלקטרו-דיליזה ההפוך: (a) וריאציה של מתח יציאה עם זרם משתנה, ו - (b)צפיפות הספק נטו עם צפיפות זרם משתנה של מחסנית RED. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
עיקרון העבודה של ה-RED נשלט בעיקר על ידי המאפיינים הפיזיקוכימיים של הממברנה, המהווה חלק מכריע במערכת RED, כפי שמודגם באיור 3. כאן, אנו מתארים את המאפיינים הבסיסיים של הממברנה להעברת מערכת אדומה בעלת ביצועים גבוהים. החדירות הספציפית של הממברנה גורמת לו לעבור סוג אחד של יונים דרך ננו-חלאי הפולימר שלהם. כפי שהשם מרמז, CEM יכול להעביר cation מצד אחד למשנהו ומגביל אניון, בעוד AEM יכול לעבור אניון ומגביל את ההקלה. כפי שמוצג באיור 2, כל הממברנות עוצבו לגודל מחסנית אדום המכיל מעבר כניסה ושקע לפתרון זרימה. כמות היון שהוחלפה דרך הממברנה היא פרופורציונלית ישירות למוליכות הממברנה, ולכן, תפוקת הכוח של הערימה24. תנועת היונים בממברנה חילופי היונים עובדת על עיקרון ההדרה של דונאן25. קבוצת המטען המצורפת לעמוד השדרה הפולימרי דוחה את אותו מטען שנמצא בתמיסה. לכן, צפיפות המטען גבוהה יותר תהיה הדחייה, אשר בדרך כלל תלויה סלקטיביות סלסל. בדרך כלל, בתאים אדומים, תנועת היונים מתרחשת דרך הממברנה מהריכוז הגבוה יותר לריכוז נמוך יותר של הפתרון. הובלת יונים זו מתא אחד למשנהו דרך הממברנה מעניקה מתח מעגל פתוח וערכי זרם, המשמשים לחישוב פלט הכוח נטו של תא26.
הביצועים של הערימה האדומה תלויים בעיקר בקיבולת חילופי היונים ובצפיפות הנפיחות של ממברנות מבוססות CEM ו- AEM27. הוא ציין כי גבוה יותר את יכולת חילופי היונים של CEM ו- AEM, טוב יותר הוא מוליכות. עם זאת, יכולת החלפת היונים הגבוהה יותר של הממברנה מובילה לנפיחות גבוהה, ומדרדרת בקלות את הכוח המכני של הממברנה. לכן, זה חיוני כדי לייעל את צפיפות הנפיחות ואת המוליכות של הממברנות לביצועי תאים טובים ואמינים יותר. מצד שני, זה גם חיוני כדי לייעל את ההתנגדות מחסנית עם הפונקציה של זרימת פתרון ההזנה בשני התאים. ככל שקצב הזרימה עולה, התנגדות המחסנית פוחתת וביצועי תא הפלט גדלים. תיאורטית, התנגדות מחסנית אדומה ניתנת על ידי משוואה 8.
(8)
N הוא מספר זוגות התאים (סידור חלופי של ממברנות אניון וחילופי קטיונים), A הוא האזור היעיל של שתי הממברנות (מ'2),RA הוא התנגדות קרום החלפת אניון (Ω מ'2),RC הוא התנגדות ממברנה חילופי קטיונים (Ω מ'2),dc הוא עובי התא עם הפתרון המרוכז (מ '), kc הוא מוליכות יונית שלה (S m-1 ),d הוא עובי התא עם הפתרון מדולל (מ '), kd הוא מוליכות יונית שלה (S m-1), ו Re הוא התנגדות אלקטרודה (Ω). הפחתת ההתנגדות מחסנית הוא גורם חיוני לשיפור כוח הפלט נטו, אבל גורמים אחרים משפיעים גם על ביצועי התא28, אשר גם צריך להיחשב. אפקט הצל של spacer, זרימת פתרון ההזנה, רוחב התא וריכוז פתרון ההזנה, האיור הסכמטי של התא האדום מוצגים באיור 5.
בתאים אדומים, הממברנה פעלה כגורם מגביל ודרשה קרום מוליך גבוה יציב. חוץ מזה, הן CEM והן AEM נדרשים להיות בעלי מאפיינים דומים מוליכים יוניים, כך שהתא יכול לייצר פלט חשמל יעיל וממוטב. השפלה של יכולת החלפת יוני והצטברות מלח צריך לקחת בחשבון גם ביצועים אדומים אמינים. חומר ממברנה חדשני וארכיטקטורת מכשירים חדשנית עשויים לשפר עוד יותר את ביצועי התאים בעתיד הקרוב ולסלול נתיב לכיוון מחקר עתידי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אינם מצהירים על ניגודי עניינים.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי מענק קרן המחקר הלאומית של קוריאה (NRF) במימון ממשלת קוריאה (MEST) (לא. NRF-2017R1A2A2A05001329). מחברי כתב היד אסירי תודה לאוניברסיטת סוגאנג, סיאול, הרפובליקה של קוריאה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AEM based membrane | Fumion | P1810-194 | Ionomer |
| CEM based membrane | Fumion | E550 | Ionomer |
| Digital torque wrench | Torqueworld | WP2-030-09000251 | wrench |
| Labview software | Natiaonal Instrument | - | Software |
| Laptop | LG | - | PC |
| Magnetic stirrer | Lab Companion | - | MS-17BB |
| N, N-Dimethylacetamide | Sigma aldrich | 271012 | Chemical |
| N-Methyl-2- pyrrolidone | Daejung | 872-50-4 | Chemical |
| Peristaltic pump | EMS tech Inc | - | EMP 2000W |
| Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate | Sigma aldrich | P3289 | Chemical |
| Potassium hexacyanoferrate(III) | Sigma aldrich | 244023 | Chemical |
| Pressure Gauge | Swagelok | - | Guage |
| Reverse electrodialysis setup | fabricated in lab | - | Device |
| RO system pure water | KOTITI | - | Water |
| Rotary evaporator | Hitachi | YEFO-KTPM | Induction motor |
| Sodium Chloride | Sigma aldrich | S9888 | Chemical |
| Sodium Hydroxide | Merk | 1310-73-2 | Chemical |
| Source meter | Keithley | - | 2410 |
| Spacer | Nitex, SEFAR | 06-250/34 | Spacer |
| Sulfuric acid | Daejung | 7664-93-9 | Chemical |
| Tube | Masterflex tube | 96410-25 | Rubber tube |
References
- Dlugolecki, P., Gambier, A., Nijmeijer, K., Wessling, M. Practical potential of reverse electrodialysis as process for sustainable energy generation. Environmental Science & Technology. 43, 6888-6894 (2009).
- Kim, D., Kwon, K., Kim, D. H., Li, L. Energy Generation Using Reverse Electrodialysis: Principles, Implementation, and Applications. , Springer. (2019).
- Mei, Y., Tang, C. Y. Recent developments and future perspectives of reverse electrodialysis technology: A review. Desalination. 425, 156-174 (2018).
- Yip, N. Y., Brogioli, D., Hamelers, H. V. M., Nijmeijer, K. Salinity gradients for sustainable energy: primer, progress, and prospects. Environmental Science & Technology. 50, 12072-12094 (2016).
- Li, W., et al. A novel hybrid process of reverse electrodialysis and reverse osmosis for low energy seawater desalination and brine management. Applied Energy. 104, 592-602 (2013).
- Brauns, E. Salinity gradient power by reverse electrodialysis: effect of model parameters on electrical power output. Desalination. 237, 378-391 (2009).
- Cusick, R. D., Kim, Y., Logan, B. E. Energy capture from thermolytic solutions in microbial reverse-electrodialysis cells. Science. 335, 1474-1477 (2012).
- Kim, D. H., Park, B. H., Kwon, K., Li, L., Kim, D. Modeling of power generation with thermolytic reverse electrodialysis for low-grade waste heat recovery. Applied Energy. 189, 201-210 (2017).
- Hong, J. G., et al. Potential ion exchange membranes and system performance in reverse electrodialysis for power generation: A review. Journal of Membrane Science. 486, 71-88 (2015).
- Choi, S. -Y., et al. Controlling fuel crossover in open electrochemical cells by tuning the water nanochannel for power generation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8, 8613-8623 (2020).
- Shah, S. A., et al. Modified single-wall carbon nanotube for reducing fouling in perfluorinated membrane-based reverse electrodialysis. International Journal of Hydrogen Energy. 45, 30703-30719 (2020).
- Kwon, K., Han, J., Park, B. H., Shin, Y., Kim, D. Brine recovery using reverse electrodialysis in membrane-based desalination processes. Desalination. 362, 1-10 (2015).
- Kwon, K., Park, B. H., Kim, D. H., Kim, D. Parametric study of reverse electrodialysis using ammonium bicarbonate solution for low-grade waste heat recovery. Energy Conversion and Management. 103, 104-110 (2015).
- Hatzell, M. C., Ivanov, I., Cusick, R. D., Zhu, X., Logan, B. E. Comparison of hydrogen production and electrical power generation for energy capture in closed-loop ammonium bicarbonate reverse electrodialysis systems. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 1632-1638 (2014).
- Zhu, X. P., He, W. H., Logan, B. E. Reducing pumping energy by using different flow rates of high and low concentration solutions in reverse electrodialysis cells. Journal of Membrane Science. 486, 215-221 (2015).
- Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Doubled power density from salinity gradients at reduced intermembrane distance. Environmental Science & Technology. 45, 7089-7095 (2011).
- Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. Reverse electrodialysis: Performance of a stack with 50 cells on the mixing of sea and river water. Journal of Membrane Science. 327, 136-144 (2009).
- Veerman, J., Saakes, M., Metz, S. J., Harmsen, G. J. Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: a first step from the laboratory to a real power plant. Environmental Science & Technology. 44, 9207-9212 (2010).
- Batchelor, C. K., Batchelor, G. K. An Introduction to Fluid Dynamics. , Cambridge University Press. (2000).
- Schock, G., Miquel, A. Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules. Desalination. 64, 339-352 (1987).
- Da Costa, A. R., Fane, A. G., Wiley, D. E. Spacer characterization and pressure drop modelling in spacer-filled channels for ultrafiltration. Journal of Membrane Science. 87, 79-98 (1994).
- Vermaas, D. A., Veerman, J., Saakes, M., Nijmeijer, K. Influence of multivalent ions on renewable energy generation in reverse electrodialysis. Energy & Environmental Science. 7, 1434-1445 (2014).
- Vermaas, D. A., Saakes, M., Nijmeijer, K. Enhanced mixing in the diffusive boundary layer for energy generation in reverse electrodialysis. Journal of Membrane Science. 453, 312-319 (2014).
- Moreno, J., Grasman, S., van Engelen, R., Nijmeijer, K. Upscaling reverse electrodialysis. Environmental Science & Technology. 52, 10856-10863 (2018).
- Sarkar, S., SenGupta, A. K., Prakash, P. The donnan membrane principle: opportunities for sustainable engineered processes and materials. Environmental Science & Technology. 44, 1161-1166 (2010).
- Kim, H. -K., et al. High power density of reverse electrodialysis with pore-filling ion exchange membranes and a high-open-area spacer. Journal of Materials Chemistry A. 3, 16302-16306 (2015).
- Długołęcki, P., Nymeijer, K., Metz, S., Wessling, M. Current status of ion exchange membranes for power generation from salinity gradients. Journal of Membrane Science. 319, 214-222 (2008).
- Geise, G. M., Curtis, A. J., Hatzell, M. C., Hickner, M. A., Logan, B. E. Salt concentration differences alter membrane resistance in reverse electrodialysis stacks. Environmental Science & Technology Letters. 1, 36-39 (2014).
